两级自适应滤波在输油管道漏磁检测中的应用

　　1　引　言

　　随着我国海洋油田的开发,海底输油管道已越来越多。如何对在役管道实行检测,及时发现泄漏问题,已成为我国海洋油田降低石油和天然气生产成本的关键所在。漏磁检测法是国内外使用较为广泛的输油管道检测方法。漏磁检测法通过磁性传感器测量被磁化的管道表面泄漏的磁场强度来判定管道缺陷的大小。若被测管道表面光滑没有缺陷且内部没有夹杂物,从原理上讲磁通将全部通过被测管道;若存在缺陷,会导致缺陷处及其附近的磁阻增加而使得缺陷附近的磁场发生畸变[1]。

　　在管道的漏磁法检测中,信号会受到各种噪声的干扰,如何获取有用的信号,去掉其中的噪声,最终实现缺陷信号的定量,关系到整个检测系统的成败。在现代信号处理中,自适应滤波是噪声消除的一个重要方法[2]。它的优点在于滤波器的设计基本上不需要信号和噪声的先验知识和特性,并且算法简单、容易实现,在许多场合有实际应用[3,4]。由于传统的时域最小均方(LMS)自适应算法存在收敛速率慢的问题,因此在不同的应用情况下,有许多改进算法来改善收敛性能[5,6]。

　　频域自适应滤波技术提供了时域LMS的一种替代途径[2]。本文介绍一种两级自适应滤波算法,并将其应用在管道漏磁检测信号的噪声消除。

　　2　两级自适应滤波

　　两级自适应滤波算法的结构如图1所示。第一级采用滑动离散余弦变换替代K2L变换进行自正交变换,起到一个预处理器的作用,将输入向量变换为一个由互不相关变量组成的对应向量,有很强的去相关能力[7],同时提高计算效率。第二级采用变步长的归一化LMS算法,以提高算法的收敛特性。

　　2.1　滑动DCT算法

　　根据傅立叶变换理论,偶函数的离散傅立叶变换(DFT)导致离散余弦变换。考虑一个有M个样值的序列u(n),u(n-1),…,u(n-M+1),构造一个关于点n -M +1/2对称的扩展序列:

　　2.2　变步长LMS算法

　　引入输入向量的相关矩阵的特征值,用来修正传统LMS算法中各权值的步长大小[2]。相关矩阵特征值的估计值为:

　3　实验及结果

　　3.1　实验方案

　　图3所示为管道漏磁检测系统,主要由测试管道、漏磁探头、信号调理电路、数据采集卡和上位机PC104组成。漏磁探头由10个沿管道内壁均匀布置的可单独拆装的探头单元组成,每一探头单元包含励磁磁路、1个巨磁阻传感器阵列及耐磨件。采用永磁铁对钢管壁磁化,并用电机拖动漏磁探头在钢管内爬行。检测到的漏磁场信号通过信号调理电路的放大和低通滤波,进入数据采集单元,整个系统由PC104进行控制。